10多年前,鋰離子電池還只是科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室孜孜以求的學(xué)術(shù)成果。

今天，人們的生活幾乎離不開它。手機(jī)、手提電腦，幾乎所有的攜帶式個人電子用品都要靠它來提供所需的能量。可是如何把它裝在汽車上，成為汽車的動力；又如何讓它成為未來存取電能的“容器”，科學(xué)家們又開始不斷地探索，電池“肚量”要越來越大，動力要越來越強(qiáng)，壽命要越來越長，但并不意味著體積和重量也要越來越大，這不是簡單的數(shù)量疊加。

這個變化的關(guān)鍵，就是電池的材料。用于手機(jī)電池的材料，絕對不能用來制造電動汽車的“心臟”，否則不是可能會爆炸，而是一定會出事。因此，各國的科學(xué)家都在試圖尋找最佳答案。

20年堅持，從無到有

中國科學(xué)院物理所研究員、博士生導(dǎo)師黃學(xué)杰評價我國的鋰離子電池發(fā)展是：從無到有，從小到大，發(fā)展很快。

2000年我國的產(chǎn)量約2000萬塊，占全球份額3.6%，與韓國相近，而當(dāng)時日本已達(dá)年產(chǎn)5.12億塊，占93.9%。2002年我國跨過1億塊，2004年達(dá)到7.6億塊，占全球市場的37.1%，僅次于日本。

我國的鋰離子電池研究開發(fā)項目一直是863計劃的重點(diǎn)項目，從移動電子設(shè)備用小型電池開始，連續(xù)20年獲得支持。目前小型鋰離子電池已形成年產(chǎn)2億只以上的生產(chǎn)能力，日本SONY、三洋等公司也將生產(chǎn)廠建到中國。大部分材料實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，國內(nèi)已自建和引進(jìn)多條生產(chǎn)線，配套材料廠也有很多個，均已形成大規(guī)模生產(chǎn)，市場競爭激烈。

“小型電池及其相關(guān)材料目前技術(shù)工藝成熟，生產(chǎn)成規(guī)模，主要是產(chǎn)業(yè)投資推動。”黃學(xué)杰說。

“我國的動力電池的研究相對較晚，但到目前為止也已取得了驕人的成績。”黃學(xué)杰說，中科院物理所經(jīng)過20年來的研究積累，在納米儲鋰負(fù)極材料和磷酸鹽正極材料的研究方面我國居國際一流水平。

我國的動力型鋰離子電池“十五”期間在863電動汽車重大專項的支持下開始了研究開發(fā)，解決了高功率輸出的問題，安全性也得到了極大的提高，依托于中科院物理所技術(shù)的蘇州星恒電源有限公司創(chuàng)造地實(shí)現(xiàn)了平板電池的機(jī)械化生產(chǎn)，2004年，蘇州星恒公司研發(fā)的10安時高能量型和7.5安時高功率型錳酸鋰離子動力電池已通過美國UL安全測試，成為中國本土第一個通過UL認(rèn)證的鋰離子動力電池，目前產(chǎn)品已批量供應(yīng)國內(nèi)外市場。開發(fā)的15安時高功率電池通過863電動汽車重大專項組織的統(tǒng)一測試，“十五”期間已成功應(yīng)用于燃料電池混合電動轎車概念車“超越二號”和“超越三號”。8安時高功率電池已成為“上海”牌燃料電池混合轎車的標(biāo)配。

“車用鋰離子動力電池等高端產(chǎn)品技術(shù)的開發(fā)，不僅僅是我國電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要，也必將帶來我國鋰離子電池產(chǎn)業(yè)的全面技術(shù)升級。”黃學(xué)杰說。

不斷創(chuàng)新，不斷飛躍

我國動力電池的發(fā)展是伴隨著電動自行車的成長而起的。但在國內(nèi)剛開始開展鋰離子電池電動車研發(fā)時，鋰離子電池曾出現(xiàn)若干爆炸事故。

一般來說，電池安全性是和電池中儲存的能量成反比的，即所能釋放的能量越大，其安全性就越差。

黃學(xué)杰說，換句話說就是和電池的重量成反比的。當(dāng)然，隨著電池體積的增加，散熱性能變差，爆炸的可能性更是大幅度增加，所以，將鋰離子蓄電池做成動力電池，就必須提高其安全性能；其用量的愈大，其要求達(dá)到的安全性指標(biāo)也就愈高。

鋰離子電池發(fā)生爆炸，一個很重要原因是使用手機(jī)電池常用的鈷酸鋰做為鋰離子電池的正極材料。鈷酸鋰材料的理論比能量超過每克270毫安時，但為保證其循環(huán)性，實(shí)際可使用比容量只有理論容量的一半，即140毫安時左右。

“在實(shí)際使用過程中，如果在某些意外的情況下，比如管理系統(tǒng)損壞而導(dǎo)致電池充電電壓過高，則剩余的一部分鋰就會從正極經(jīng)電解液在負(fù)極表面以金屬鋰的形式沉積。”黃學(xué)杰說，而金屬鋰的表面欠電位沉積極易形成“枝晶”，從而刺穿隔膜，將正負(fù)極短路，引起起火爆炸等安全事故。另外，金屬鋰非常活潑，熔點(diǎn)也低，在電池溫度局部過高或者殼體破損接觸空氣的情況下也非常的危險。

尋找替代鈷酸鋰的正極材料，解決安全問題是生產(chǎn)動力型鋰離子電池的最優(yōu)先要考慮的問題。

“十五”期間，在863計劃支持下，中科院物理所發(fā)展了氧空位磷酸鐵鋰和用于車用動力電池的錳酸鋰正極材料，他們發(fā)展出了一種具有自主知識產(chǎn)權(quán)的表面修飾技術(shù)，應(yīng)用于改性進(jìn)尖晶石錳酸鋰材料，生產(chǎn)出可逆容量達(dá)到107毫安時每克，55℃循環(huán)200次容量保持率大于90％，優(yōu)于國際同類產(chǎn)品水平，保障了電動汽車重大專項中高功率鋰離子電池項目的順利推進(jìn)。在山東試驗(yàn)工廠的技術(shù)工藝基礎(chǔ)上，在無錫建成了年產(chǎn)1000噸的生產(chǎn)線。

在鋰離子蓄電池的負(fù)極材料的研發(fā)上，我國也有重要進(jìn)展。作為手機(jī)鋰離子電池負(fù)極材料的首選中間相炭微球，我國已實(shí)現(xiàn)全面國產(chǎn)化。上海杉杉和天津鐵成等生產(chǎn)的該類型負(fù)極材料，其可逆容量均在300―340毫安時/克，性能指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到或部分超過國際先進(jìn)水平，且價格只有進(jìn)口產(chǎn)品的三分之二。但石墨負(fù)極材料不能滿足混合動力汽車的高功率和長壽命要求，黃學(xué)杰介紹說，在動力電池中，使用具有石墨結(jié)構(gòu)的中間相炭微球存在一個致命的缺陷，即在大電流沖擊的時候，由于體積變化，炭球表面的固體電解質(zhì)層會破損，從而加速其壽命衰減。在863納米專項的支持下，北京星恒成功地開發(fā)出來硬碳負(fù)極材料，位于八大處高科技園的試驗(yàn)線預(yù)計本月底投產(chǎn)。

瞄準(zhǔn)未來，成就產(chǎn)業(yè)

在比現(xiàn)有碳材料（372毫安時/克）容量更高的負(fù)極材料，成為研究的熱點(diǎn)時，氧化錫首先被發(fā)現(xiàn)具有優(yōu)異的儲鋰性能，導(dǎo)致人們開始研究一系列基于金屬和氧化物的負(fù)極材料，然而錫、硅等作為鋰離子電池負(fù)極材料的致命問題在于：充放電過程中，隨著鋰的反復(fù)嵌入脫出，體積變化高達(dá)300%―400%，導(dǎo)致電極的機(jī)械穩(wěn)定性降低，材料也因發(fā)生粉化逐漸失效，因此循環(huán)性能很差。

黃學(xué)杰說，納米合金化可以克服錫基材料這一弱點(diǎn)，已在SONY的Nexlion中獲得應(yīng)用，物理所在1998年即發(fā)表論文指出納米化是提高此類材料循環(huán)性能的有效途徑。國內(nèi)中國鋼研科技集團(tuán)公司在863的支持下已初步開發(fā)出具有一定循環(huán)穩(wěn)定性的錫基材料。在世界范圍內(nèi)，具有高比容量的非碳負(fù)極活性材料正處于大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的起步階段，采用三維集流體材料提高鋰離子電池負(fù)極材料的電化學(xué)性能，是目前國際鋰離子電池領(lǐng)域的一個主要研究熱點(diǎn)。

與傳統(tǒng)二維銅箔相比，三維集流體材料能夠?yàn)榛钚晕镔|(zhì)提供更加良好的導(dǎo)電環(huán)境，縮短多孔電極內(nèi)部平均電子傳輸距離，從而降低極片內(nèi)阻，減小大電流充放電產(chǎn)生的電極極化現(xiàn)象；更重要的是，三維基體還能在一定程度上緩解高比容量活性材料的“體積效應(yīng)”，減少內(nèi)應(yīng)力對電極結(jié)構(gòu)的破壞，從而改善電極的循環(huán)壽命與充放電效率。

目前，蘇州星恒電源有限公司鋰離子動力電池的比功率已達(dá)到120Wh/kg，已占國內(nèi)電動自行車鋰離子動力電池市場的80%以上，部分產(chǎn)品已進(jìn)入國際市場。

“十一五”期間，863計劃繼續(xù)給予了支持，針對車用動力電池和儲能電池關(guān)鍵材料的研發(fā)，啟動了一系列項目。

黃學(xué)杰說，隨著動力型鋰離子電池材料的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的深入，必將大大促進(jìn)動力電池產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，無論從安全性、高溫循環(huán)性、使用壽命，還是從制造成本上講，都將把動力電池的產(chǎn)品推廣和市場開發(fā)推向新的高度。另一方面，新的、動力型鋰離子電池正極材料的發(fā)展又對上游原材料生產(chǎn)企業(yè)提出了更高的要求，促進(jìn)了上游產(chǎn)業(yè)在產(chǎn)品純度以及制造成本等方面的技術(shù)進(jìn)步與發(fā)展。

“相信未來幾年，鋰離子動力蓄電池會逐漸占領(lǐng)電動車市場”。黃學(xué)杰說。

鋰離子電池重要創(chuàng)新點(diǎn)

氧空位磷酸鐵鋰：根據(jù)自主研發(fā)的一種獨(dú)特的合成方法，制備出可逆容量達(dá)160mAh/g的氧空位磷酸鐵鋰正極材料，循環(huán)500次容量未見衰減，特別是具備高倍率（10C）放電能力。

鈷鎳錳酸鋰：可以取代鈷酸鋰的鈷鎳錳酸鋰正極材料研制成功，發(fā)展出獨(dú)特的前驅(qū)體合成技術(shù)和加鋰技術(shù)，80%的鈷被錳和鎳取代,并實(shí)現(xiàn)了對晶粒尺寸的控制，合成材料的可逆容量達(dá)到165mAh/g，比鈷酸鋰高10％以上，循環(huán)壽命達(dá)到500次，而成本不到鈷酸鋰的50％，已在小試的基礎(chǔ)上建成了年產(chǎn)150噸的中試線。

改進(jìn)尖晶石錳酸鋰：發(fā)展出了一種具有自主知識產(chǎn)權(quán)的Al2O3表面修飾技術(shù)，生產(chǎn)出可逆容量達(dá)到107mAh/g，55℃循環(huán)200次容量保持率大于90％，是國內(nèi)第一個可用于混合電池用高功率鋰離子電池的材料，保障了電動汽車重大專項高功率鋰離子電池項目的順利推進(jìn)。

復(fù)合負(fù)極材料：開發(fā)出的復(fù)合負(fù)極材料，可逆儲鋰容量已經(jīng)達(dá)到600mAh/g，達(dá)到國際先進(jìn)水平。

石墨化納米纖維導(dǎo)電添加劑：實(shí)現(xiàn)了對碳纖維直徑和長度分布的控制，開發(fā)出石墨化納米纖維導(dǎo)電添加劑，解決了此類添加劑的國產(chǎn)化問題。

電池研制：2004年星恒公司基于此材料制造的高功率混合汽車用鋰離子電池全面通過了863電動汽車重大專項組織的統(tǒng)一測試，比功率達(dá)到1200W/kg，性能居國際先進(jìn)水平，星恒10Ah高能量型和7.5Ah高功率型鋰離子動力電池通過美國UL安全測試，成為中國本土第一個通過UL認(rèn)證的鋰離子動力電池，為該類電池進(jìn)入國際市場鋪平了道路。